Vpliv peska jeder na lastnosti enotnega bentonitnega peska UDK: 621.742.42.42 ASM/SLA E18r, E18s, NM-f45 Vito Uršič Članek podaja rezultate ugotavljanja vpliva dotoka povratnega, neregeneriranega peska jeder v krožeči enotni bentonitni pesek, zaradi česar se spreminjajo njegove karakteristike. V izhodno bentonitno mešanico smo dodajali različne količine ostankov C02, ftiranskega in Hot-box peska in določali livarske lastnosti teh mešanic. Ugotovili smo, da peski jeder v splošnem slabšajo lastnosti bentonitnega peska. UVOD Postopek izdelave form iz bentonitnih peščenih mešanic, zgoščenih s stresanjem in stiskanjem, je v livarnah še vedno zelo prisoten. Ta način uvrščamo v t. i. I. generacijo formarskih postopkov. Delovni postopek je daleč najstarejši in najenostavnejši1. Pri tem mislimo na enostavne komponente, iz katerih je sestavljena peščena mešanica, na njeno pripravo in na postopek formanja, ki je nekoč predstavljal težko ročno delo, danes pa so nam na voljo različni formarski stroji in avtomati. Istočasno z omenjenim načinom izdelave form pa so v uporabi tudi postopki formanja in izdelave jeder II. generacije. V tem primeru se peščene mešanice v okvirjih, oz. jedrovnikih utrjujejo na kemijski osnovi, s pomočjo reakcij, ki potekajo med posameznimi komponentami. Kot vezivo sta se najprej uveljavila cement in vodno steklo. Oba štejemo med anorganske spojine. Iz dneva v dan pa vse več uporabljamo organske umetne smole. Spekter postopkov je izredno pisan in že nekoliko nepregleden. Najenostavnejša razdelitev privede do dveh skupin: — postopki, pri katerih se peščena mešanica utrjuje pri normalnih temperaturah, — postopki, pri katerih je potrebno za utrjevanje dovajati toplotno energijo. Predavanje avtorja na jugoslovanskem simpoziju o livarstvu, Budva, 26.—29. oktobra 1978 Vito Uršič, dipl. ing. metalurgije, raziskovalec na Metalurškem inštitutu Veliko postopkov utrjevanja livarskih peščenih mešanic poznamo in uporabljamo že tudi v naših livarnah. Pri izdelavi form najpogosteje srečujemo primere, ko je forma izdelana iz enotnega, krožečega peska, vezanega z bentonitom, medtem ko so jedra narejena bodisi iz CO, peska, ali iz mešanic z umetnimi smolami. Pri iztresanju ulitih form prihaja do mešanja dveh vrst peskov, ki sta si po svojem značaju močno različna. Prevladuje seveda bentonitni pesek, ki ga je lahko do 90 %, ostalo pa predstavlja pesek jeder. Čeprav je to na pogled majhen delež, pa je njegov vpliv precejšen. Ta se kaže v dveh možnih oblikah: — v krogotok povratnega peska prihaja uporabljen, a neregeneriran pesek jeder, — vezivo v jedrih med ulivanjem izpareva in se kondenzira na površini peščenih zrn, ki jih obdaja bentonitni ovoj2. Oglejmo si najprej prvi primer! Jedra, vezana z umetnimi smolami, v večini primerov po ulivanju dobro razpadejo. Na površini manjših sprimkov peska ali na posameznih peščenih zrnih pa se nahajajo ovoji delno ali popolnoma zgorelega veziva. Ti ostanki, katerih količina je odvisna od obremenitve peska, po rege-neriranju z bentonitom in vodo nimajo vezivnih sposobnosti; nasprotno, zmanjšujejo celo veziv-nost bentonita. Še bolj neugodno je, če imamo opraviti z ostanki C02 peska. Jedra po ulivanju slabo razpadajo. Večje ali manjše grude sicer prihajajo ob ponovni pripravi peska v mešalec, vendar se tam ne zdrobijo dovolj in že s svojo fizično prisotnostjo prispevajo k nehomogenosti mešanice. Dokler bodo forme sestavljene iz več vrst peskov, se mešanju ne bomo mogli izogniti. Zato moramo stremeti za tem, da te nezaželene vplive nekako kompenziramo. Tako je bilo tudi v zvezi s to problematiko opravljenih mnogo tujih in domačih raziskav, na osnovi katerih naj bi livarji dobili nasvete za praktično delo. PREGLED TUJIH RAZISKAV Raziskovalci pristopajo k preiskavam ponašanja krožečega peska na dva načina: — pripravijo peščeno mešanico z ustreznimi lastnostmi in vanjo večkrat zapovrstjo ulivajo preizkusni ulitek; zasledujejo, kako se pri tem spreminjajo lastnosti peska, ne da bi mešanico regenerirali po vsakem ulivanju, — pripravijo peščeno mešanico z ustreznimi lastnostmi in po vsakem ulivanju kontrolirajo sestavo povratnega peska; z dodajanjem regenera-cijskih dodatkov želijo doseči izhodne lastnosti mešanice. Novejša dela Briimerja in Lautzusa' še niso dala odgovora, zakaj se slabšajo lastnosti krožečega bentonitnega peska, kadar v krogotok prihaja tudi pesek jeder. Omenjena raziskovalca sta svoje raziskave izvajala po drugem, zgoraj opisanem načinu. Tlačno trdnost mešanice sta držala skozi cel poizkus konstantno, in sicer 20 N/cm2. Pri tem pa sta ugotovila, da se pri tem močno spreminja, popolnoma neodvisno, trdnost kon-denzacijske plasti. Mogoče je prav to razlog, da smatramo danes trdnost kondenzacijske plasti za eno najpomembnejših lastnosti in pokazatelja kakovosti bentonitnega peska. Podobne rezultate so dobili tudi Pohl in Sag-meister iz livarskega inštituta v Leobnu4 ter Po-lašek iz Brna5. Prišli so do zaključka, da zaradi dotoka peska jeder bentonitnemu pesku upada tlačna trdnost, vezivna sposobnost, trdnost kondenzacijske plasti, na drugi strani pa rasteta plinska vrednost in potreba po večji vlagi. Polašek pripisuje največji vpliv kemijski sestavi in naravi peska jeder. Njegovi rezultati kažejo, da je najneugodnejši učinek furanskega peska. Druge vrste vpliv peska jeder na bentonitni pesek je v tem, da vezivo, najpogosteje umetna smola, med ulivanjem izpareva in se kondenzira na površini peščenih zrn, ki jih obdaja glineni ovoj. Plinska faza prodira v stene forme. Z oddaljevanjem od livne votline pada pregretost peska in na neki meji, kjer je pesek še dovolj hladen, se pare začno kondenzirati. Tega pojava v običajnih pogojih dela skoraj ne moremo opaziti, ker ga prekrivajo drugi vzporedni procesi. Tudi določanje žaroizgub v tem pogledu ne prihaja v poštev. Zato je D. Boenisch2'6 za laboratorijske raziskave skonstruiral napravo, ki jo imenuje »Generator — Receptor«. V spodnjem delu je peščena mešanica z umetno smolo, nad njo pa plast z bentonitom vezanega peska. Spodnjo plast je segreval, tako da je vezivo začelo izparevati in so pare prodirale v bentonitni pesek receptorja. Na ta način je potrdil svojo predpostavko o t. i. »Cover efektu«. Kolikšen in v kakšni obliki bo ovoj iz kondenzata na peščenih zrnih, je odvisno od razmerja med količino smole v pesku generatorja in količino bentonita v pesku receptorja. Dokler je ovoj še v obliki mreže, se vezivnost še ne zmanjša mnogo, če pa je bolj kompakten, je njegov vpliv močnejši. Tudi on je ugotovil, da se slabšajo razne vrste trdnosti, da se pesek bolj zgoščuje, da ima večjo nasipno težo, da se zmanjša propustnost za pline in da se poveča zahteva po vlagi. Za najškodlji-vejšega smatra Boenisch kondenzat iz Cold-box peska. LASTNE RAZISKAVE Pred dvema letoma smo v neki slovenski livarni zasledovali kakovost in tehnološke lastnosti krožečega bentonitnega peska. Naš cilj je bil, da izboljšamo pripravo peska — regeneracijo s čimbolj natančno določenimi količinami dodatkov — vode, bentonita, livarske črnine in škrobne komponente. Poizkus smo izvajali tako, kot je navedeno v prejšnjem poglavju, druga možnost. Pripravili smo zadostno količino peščene mešanice za nekaj poskusnih ulitkov. Po vsakem ulivanju smo kontrolirali sestavo povratnega peska in dodali tako količino regeneracijskih dodatkov, da smo približno dosegli začetne lastnosti. Na ta način je pesek doživel dvajset obratov. Ulivali smo ulitke — zavorne bobne brez jeder, torej smo imeli opraviti s čistim bentonitnim peskom. Ko smo po tem polindustrijskem poizkusu začeli zasledovati krožeči enotni pesek v redni proizvodnji in pri regeneraciji upoštevali prej pridobljene izkušnje, pa so nastala neka nerazumljiva odstopanja. Upoštevati smo morali več dejavnikov, ki so vplivali na lastnosti regeneriranega peska in eden med njimi je bil tudi vpliv peska jeder. Le-ta so bila izdelana po CO, postopku, iz furanskega peska in nekaj tudi iz Hot-box peska. Zato smo se odločili, da s poizkusi ugotovimo, kolikšen je dejanski vpliv peska jeder7. Pri analiziranju rezultatov polindustrijskega poizkusa se je izkazalo, da dosežemo največjo strižno trdnost (ki je v določeni meri premosoraz-merna tlačni trdnosti), če so imele mešanice pH-vrednost okoli 9,7. Pri višjih ali nižjih vrednostih pa je močno padla. Izhajali smo torej iz predpostavke, da pesek jeder spremeni pH-vrednost bentonitnega peska (slika 1). pH —C02 peska......9,95 pH — furanskega peska . . . 3,10 pH — Hot-box peska .... 8,20 Izdelali smo peščene mešanice, v katerih smo čistemu bentonitnemu pesku dodajali različne količine neregeneriranih peskov jeder. Bentonitni pesek je imel v izhodnem stanju pH-vrednost 10,15. Dodatki C02 peska so pH le malenkostno znižali — na 10,10. Dodatki furanskega peska pa so znižali pH preko 9,8 na 9,55. Dodatki manjših količin Hot-box peska so pH-vrednost znižali na X6 = -456707* 1940x/-1528 x3 +3,48 xf-80x,-4942 xf, +95337x„--168 x * 129 ^ (n =57) ... 0,6 Ž3 25 97 99 Xj-dodatek^ feriplasta Xn-pHpeščene mešanice v ^ Slika 1 Strižna trdnost v odvisnosti od pH-vrednosti peščene mešanice, dodatka bentonita, dodatka feriplasta in števila obratov peska Fig. 1 Shear strength depending on the pH value of sand mixture, bentonite additions, ferriplast additions, and number of sand revolutions. n3;£ % 4.5 5,5° 5% ,5» ^5 % /o\ 5.5 3 (H 5 5% 4,0' 3.5' 3,0 2,5 2,0 1,50 10 20 300 jcTl>0~300 10 20 30 0 5 10 15 Dodatek novega Dodatek COj- Dod. furanske- Dod. hot-box-peska v % peska v % ga peska v % peska v % Slika 3 Strižna trdnost bentonitnega peska v odvisnosti od dodatka različnih neregeneriranih peskov jeder in od količine vlage Fig. 3 Shear strength of bentonite sand depending on the additions of various unregenerated core sands and the amount of moisture. 9,80. Po teh podatkih smo pričakovali najbolj neugoden vpliv furanskega peska in Hot-box-peska. Vendar ni bilo tako. Ko smo iz mešanic napravili preizkusne valjčke za določanje različnih lastnosti, se je izkazalo drugače. Na slikah 2, 3 in 4 so prikazane tlačna, strižna in razkolna trdnost v odvisnosti od količine dodanega peska jeder in vlage. Vidimo, da so v vseh treh primerih imeli najslabše lastnosti peski, ki smo jim dodali C02 pesek. Medtem ko je pri drugih dveh dodatkih viden tudi vpliv količine vlage, je pri C02 pesku ta vpliv zanemarljivo majhen. Še bolj je to opazno na sliki 5, kjer smo vnesli rezultate merjenja trdnosti kondenzacijske plasti. C02 pesek drastično zmanjša te vrednosti, ne glede na količino vlage. Pri ostalih dveh peskih IN I <0 o C C o o K, 1.5% [5% 5,5 o\ \ °/S 15% 5. S%\ \5% ,5% 5,5' X N. č 15% X S'/, 5% 0 10 20 300 10 20 300 10 20 300 5 10 15 Dodatek novega Dodatek CO2 Dod. furanske* Dod.hot-box-peska v % peska v% ga peska v'/. peska v % Slika 2 Tlačna trdnost bentonitnega peska v odvisnosti od dodatka različnih neregeneriranih peskov jeder in od količine vlage Fig. 2 Compression strength of bentonite sand depending on the additions of various unregenerated core sands and the amount of moisture. 2.8 2.6 2A 2.2< 2.0 1.8 1.6 1A '.2 1.0 5% \ V V -4,5 \ 5.5', 0 vo _4t 5.5 o\ ,5% ,5°/o \5 5%S K- .5% -5,. 1 v 10 20 300 10 20 30 0 Dodatek novega Dodatek C02- Dod. furanske- Dod. hot~box-peska v peska v % ga peska v % peska v % Slika 4 Razkolna trdnost bentonitnega peska v odvisnosti od dodatka različnih neregeneriranih peskov jeder in od količine vlage Fig. 4 Cleavage strength of bentonite sand depending on the additions of various unregenerated core sands and the amount of moisture. Jc U) rv P U C 0.25 S* 0.20 O - H- 1/5 V) O i* 0,15 0.10, <5.5 %-4,5% 3. 15% /; // j 5% 2 5% 4,5% 15 0 10 20 300 10 20 300 10 20 300 5 10 Dodatek novega Dodatek CO,- Dod. furanske= Dod. hot-box peska v % peska v % ga peska v % peska v'/. Slika 5 Trdnost kondenzacijske plasti v odvisnosti od dodatka različnih neregeneriranih peskov jeder in od količine vlage Fig. 5 Wet tensile strength depending on the additions of various unregenerated core sands and the amount of moisture. pa opazimo zelo zanimiv pojav: medtem ko sta dodatka furanskega in Hot-box peska tlačno, strižno in razkolno trdnost zmanjševala, pa trdnost kondenzacijske plasti celo nekoliko zvečujeta. Po dognanjih drugih raziskovalcev smemo zato reči, da kakovost bentonitnega peska celo nekoliko zboljšujeta. Pri določanju propustnosti za pline smo ugotovili, da dodatki niso bistveno vplivali na le-to. Ne, da je niso zmanjšali, ampak so jo pri nižjih količinah vlage celo povečali. Pomembna karakteristika peska je tudi njegova tekočnost, saj je od nje odvisno, kako bo pesek zapolnil konture modela. V tem primeru C02 in Hot-box peska nista škodljivo vplivala na bento-nitni pesek, precej pa je tekočnost zmanjšal dodatek furanskega peska. Prav tako je pomembna tudi zgostitev peska, saj je od nje odvisna kakovost forme. Po izkušnjah iz prakse naj bo ta nad 45 %. Z večanjem dodatka furanskega in Hot-box peska smo pri vseh treh različnih količinah vlage opažali porast sposobnosti za zgoščevanje. Vrednosti, ki smo jih izmerili, so se gibale v območju med 50 in 60 %. SKLEP Ta raziskava je bila del naloge, katere cilj je bilo izboljšanje priprave peska in njegove kakovosti. Pojasniti smo želeli le enega izmed dejavnikov, ki vplivajo na lastnosti bentonitne peščene mešanice. Ugotovili smo, da dodatek peska jeder v večini primerov bistveno poslabša lastnost bentonitnega peska. Dodatek peska jeder sicer spremeni pH-vrednost peščene mešanice, vendar pa ta vpliv ni edini in najpomembnejši. Smatramo, da bi bilo potrebno ta del raziskave razširiti in poglobiti. Ena izmed možnih razlag, ki je v okviru te naloge nismo mogli preveriti, je vprašanje omočljivosti peščenih zrn, prevlečenih z ovoji različnih veziv, z vodno suspenzijo bentonita, oziroma z njegovim gelom. Literatura 1. A. VVittmoser: Die neue dritte Generation der Formver-fahren, Giesserei 63, 1976, 8, str. 185—191. 2. D. Boenisch: Ober den Einfluss von Cold-box-, Hot-box-and Croning — Kernen auf die Eigenschaften bentonit-gebundener Formsande, Giesserei 64, 1977, 21, str. 549 do 554. 3. E. Briimmer, W. Lautzus: Einflus von Kernsanden auf den bentonitgebundenen Umlaufsand, Giesserei 64, 1977, 23, str. 612—616. 4. W. Pohl, H. D. Sagmeiter: Veranderungen der Formsand-eigenschaften durch den Kreislauf und durch Zufluss von Kernsanden verschidener Art, Giesserei Rundschau 20, 1973, 6, str. 121—128. 5. B. Polašek: Vliv odpadu z jader na vlastnosti bento-nitovych smesi, Slevarenistvi, 20, 1972, 5/6, str. 177—182. 6. D. Boenisch: Die Kondensation von Harzdestillaten in der Sandform, Giesserei 64, 1977, 8, str. 207—212. 7. V. Uršič, S. Milovič: Izboljšanje priprave in kontrole lastnosti krožečega peska, Poročilo MI Ljubljana, 1975, str. 82—94. ZUSAMMENFASSUNG In den Kreislauf des einheitlichen Bentonitformsandes, vvelcher nach jedem Giessen regeneriert vvird, kommt oftmals auch gebrauchter nichtregenerierter Kernsand, und beeinflusst damit negativ die Eigenschaften des mehrheitlichen Bentonitformsandes. Man findet dafiir in der Fachliteratur zvvei Erlaute-rungen iiber den Einfluss des Kernsandes. Nach der einen ist die chemische Natur der Bindemittel fiir Kernsand entscheidend, da sich diese von den Eigenschaften des Bentonites unterscheiden. Nach den anderen, neueren, kommt beim Giessen und Erstarren zum Verdampfen des Bindemittel der Kerne, und zum Kondensieren dieser Dampfe auf der Oberflache der kalten mit Bentonithiille umgebenen Sandkorner. Es kommt zu sogenannten »Cover effect«, vvesvvegen die Bentonitbinderung zvvischen den Sandkorner vermindert vvird. Im Rahmen der Forschungsarbeit, deren Aufgabe die Verbesserung der Vorbereitung und der Qualitat des kreisenden einheitlichen Bentonitsandes war, sind auch Mischungen vorbereitet vvorden, in vvelche nicht regene-rierter Haufensand der Kerne zugegeben vvurde. Der Einfluss von COz, dem furanischen und Hot-box Sandes ist durchstudiert vvorden. Alle Mischungen sind mit drei Feuchtigkeitsgehalten hergestellt vvorden. Es vvurden die Druckfestigkeit, die Scherfestigkeit, die Spaltfestigkeit und die Nasszugfestigkeit gemessen. Neben dem vvurden noch die Durchlassigkeit fiir Gase, die Flussigketseigen-schaften, und die Verdichtung gemessen. Ausser der Festig-keit der kondensierten Schicht sind andere Eigenschaften betrachtlich schlechter. Es ist festgestellt vvorden, dass der Zusatz von Kernsand den pH Wert der Bentonitmischung verandert. Wir sind jedoch der Meinung, dass das nicht der einzigste und vvichtigste Einflussfaktor ist. Desvvegen vvare es notig, auf diesem Gebiet, vvelches fiir die Giesserei von ausserorden-tlicher Wichtigskeit ist, die Forschungen fortzusetzen. SUMMARY Into the cycle of uniform bentonite sand being re-generated after each casting often also recycled unregene-rated core sand is enclosed but it changes the properties of the bulk bentonite sand. Literature gives two expIanations for the influence of the core sand. One gives emphasis on the chemical nature of the core binding agents which properties differ from those of bentonite. The second, newer explanation claims that core binding agents evaporate during casting and solidification and the vapours condense on the surface of cold sand grains enveloped by bentonite. Cover effect occurs and bentonite bonding betvveen the grains is vveakened. For analysis inside the research project vvith the intention to improve the preparation and the quality of recycled uniform bentonite sand some mixtures vvere prepared vvith the additions of unregenerated recycled core sand. Influence of CO2-, furane-, and hot-box sand vvas analyzed. Mixtures vvere made vvith three various moisture contents. Compression, shearing and cleavage strengths, and vvet tensile strength vvere measured. Beside, gas permeability fluidibility (tvvo methods), and compa-ctibility vvere checked. Ali the properties but the strength of the condensed layer vvere essentially reduced. It vvas found that additions of the core sand changes the pH values of bentonite mixture but according to our opinion this is not the only and the most important factor. Therefore the investigations in this field being extremely important in founding must be continued. 3AKAIOHEHHE B KpyroBopoTe eAiiHoo5pa3Horo 6eHTOHHTHoro neCKa, KOTOporo nocAe Ka>KAoii pa3AHBKH 0CBe>Kai0T-pereHepyioT, nonaAaeT nacTo TatOKe B03BpaTHbiii, HepereHupoBaHHLiH cjjopMOBOHHbm necoK CTep-/KHen. 3tot B03BpaTHbiH necoK H3MeHfleT CBOHCTBa npcooAaAaKjiuero SeHTOHHTHoro neCKa. B AHTepaType H3BecTHbi Asa noacHeHHS o bahhhhh 4>opM0B0MH0r0 necKa AAa CTepjKHeii. C oahoh ctopohm rAaBHyio poAb HMeeT xhmh-qecKiiii xapaKTep Ba3ymero cpeACTBa AAa CTepsKHeii, KOTopMH caM no ce6e patAjmutm b 3aBHcn\iocth ot cbohctb rAHHbi, cootb. Gchto-HHTa. C APyroH CTopoHbi, no HOBeimieii tomkh apeima, np0HCX0AHT bo BpeMH pa3AHBKii h 3aTBepAeBaHHa ao HcnapeHHH BH3ymero cpeACTBa AAa CTepjKHeft h ao 06pa30BaHHa KOHAeHcaTa 3thx ncnapeHHft Ha n0BepxH0CTH x0A0AHbix neciaHbix 3epeH, OKpya;eHHbix c 060-aohkoh 6eHTOHHTa. IIoAyMaeTca t. Ha3. »Cover effect«, BCAeACTBiiii KOToporo B93ymaa cnocooHocrb SeHTOHHTa MeacAy necnaHbiMH 3epHa-mh y.\ieHbuiaeTca. B nporpaMMe aaAaHiia HCCAeAOBaHHH, ueAb KOTopoii 6ma yAyn-uiht n0AT0T0BKy h KanecTBO KpyroBopoTHoro 6eHTOHHTHOTO neCKa, npHTOTOBHAH TaKžKe cMecn, b KOTOpbie AoSaBAaAH HepereHHpoBaH-HtiH B03BpaTHbiH necoK ot crc[)>Kncii. HA\"qaAIi BAHaHHe CO2, (J)ypa-noBoro h Hot-box necKa. CMecn npiiTOTOBAeHbi c TpeMH pa3AHMHbi-mh AoSaBKaMH BAarH. H3MepaAH npeAeA npomiocTH npn c>KaTHH, npoHHocTb Ha cabht. Ha pacKaAbiBaHHe h npoHHoeTb KOHAeHca-UHOHHOrO CAOa. KpoMe 3Toro paccAeAbiBaAH TaiOKe ra30np0HHijaeM0CTb, CTeneHb TeKy